האבולוציה של מבנים גרם מדרגות הסעת חום המתפשט

הסעת חום דיפוזיה כפול (DDC) הוא אחד התהליכים החשובים ביותר ערבול אנכי. בעיה זו מתרחשת כאשר בחלוקת הצפיפות אנכי של עמודת המים מרובדת נשלטת על ידי שניים או יותר מעברי צבע רכיבים שיטתיות של כיוונים מנוגדים, שבו הרכיבים יש diffusivities מולקולרי שונה במובהק¹. זה קורה באופן נרחב אוקיינוגרפיה², האווירה³, גיאולוגיה⁴, אסטרופיזיקה⁵, מדעי החומרים⁶, מטלורגיה⁷ואדריכלי הנדסה⁸. DDC נוכח כמעט מחצית של האוקיינוס העולמי, יש השלכות חשובות על תהליכי מידה מרובה של אושיאניק, שינויים אקלימיים אפילו⁹.

ישנם שני מצבי העיקרי עבור DDC: מלח אצבע (SF) ובהסעה דיפוזיה (DC). SF מתרחשת כאשר מים חמים, מלוח בנפח גדול מ מים קריר יותר, רענן בסביבת מרובדת. כאשר המים החמות שוכנת מתחת למים קרים ורענן, יהוו ה-DC. תכונה יוצאת דופן של ה-DC הוא הפרופיל האנכי של טמפרטורה, מליחות, צפיפות כמו גרם מדרגות, הולחן על ידי alternant הומוגנית convecting שכבות וממשקים דק, מרובדת חריפה. DC בעיקר מתרחשת ב- latitude גבוהה אוקיינוסים, אגמי מלח פנים מסוימים, כגון הארקטי, האוקיינוסים באנטארקטיקה, הים של וקהוצק, הים האדום ואל אגם קיבו אפריקאי¹⁰. באוקיינוס הארקטי, קיימים אגן רחב ומתמשך גרמי מדרגות DC^11,האוקיינוסים עליון ועמוק¹². יש השפעה חשובה על diapycnal ערבוב באוקיינוס העליון והוא עשוי להשפיע באופן משמעותי על הקרח נמס, אשר מעוררת לאחרונה יותר ויותר האינטרסים הקהילה אוקיינוגרפיה¹³.

מבנה גרם המדרגות DC התגלה לראשונה באוקיינוס הארקטי 1969¹⁴. אחרי זה, Padman & דילון¹⁵, Timmermans et al. ¹¹, Sirevaag & Fer¹⁶, ג’ואו & Lu¹², גאת’רי ואח… ¹⁷, Bebieva & Timmermans¹⁸ו שיבלי ואח. ¹⁹ נמדד גרמי DC באגני שונים של האוקיינוס הארקטי, כולל האנכי וחום סולמות אופקי של השכבה convecting, ממשק, העומק ואת העובי הכולל של גרם המדרגות, האנכי העברה, התהליכים DC אדי mesoscale, השינויים טמפורלית המרחבי של המבנים גרם מדרגות. שמיד ואח. ²⁰ ו. זומר ואח ²¹ נצפתה גרמי DC באמצעות פרופיילר מיקרו באגם קיבו. הם דיווחו על תכונות מבנה הראשי והנתיבים חום של DC, השוו את פלקסים נמדד חום עם הנוסחה הקיימת פרמטרית. עם המחשב עיבוד מהירויות שיפור, הסימולציות המספרי של DC לאחרונה נעשו, לדוגמה, כדי לבחון את הממשק מבנה וחוסר יציבות, מעבר חום באמצעות ממשק, שכבה אירוע מיזוג, וכן הלאה^{22, 23 , 24}.

תצפית שדה התעלתה את ההבנה של האוקיינוס DC עבור oceanographers, אך המדידה חריפה מוגבל על ידי זרימה של אושיאניק ייווצרו סביבות וכלים. לדוגמה, הממשק DC כולל קנה מידה אנכי קטן מאוד, דק יותר 0.1 m כמה אגמים וימים²⁵, קצת כלי ברזולוציה גבוהה מיוחדים נדרשים. בניסוי מעבדה מציג יתרונות ייחודיים לחקור את חוקי היסוד של תרמודינמי ודינמיקה של DC. עם ניסוי מעבדה, אחד יכול להתבונן על האבולוציה של המדרגות DC, למדוד טמפרטורה, מליחות, ולהציע קצת parameterizations עבור יישומים אושיאניק^26,27. יתר על כן, בניסוי מעבדה, הפרמטרים מבוקרת והתנאים ברצון מותאמות לפי הצורך. לדוגמה, טרנר קודם מדומה המדרגות DC במעבדה בשנת 1965 והציע parameterization העברה של חום ברחבי הממשק המפזרת, המתעדכנות לעתים תכופות, נעשה שימוש נרחב ב באתרו של אושיאניק התצפיות²⁸ .

בנייר זה, פרוטוקול נסיוני מפורט מתואר כדי לדמות את התהליך. ההתפתחות של המדרגות DC, כולל דור, פיתוח, העלמות, במים מלוחים מרובדת מחומם מלמטה. טמפרטורה, מליחות נמדדים על ידי מכשיר מיקרו-סולם, כמו גם גרמי DC במעקב עם טכניקה שדוגרפיה. הגדרת הניסוי תהליך האבולוציה, ניתוח נתונים, דיון של תוצאות מתוארים בפירוט. על ידי שינוי ההתחלתי ואת תנאי גבול, הגדרת הניסוי הנוכחי ואת שיטת יכול לשמש כדי לדמות ושאר התופעות של אושיאניק, כגון הסעה אופקית של אושיאניק, התפרצויות הידרותרמי במים עמוקים, העמקת מעורבות שכבת פני השטח, השפעת הצוללת גיאותרמית על זרימת האוקיינוס, וכך הלאה.